Simulation et rendu de vagues déferlantes

Simulation and rendering of breaking waves

• Auteur / Autrice : Mathias Brousset
• Direction : Daniel Méneveaux, Emmanuelle Darles, Pierre Poulin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 07/12/2017
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie pour l'information, mathématiques (Limoges ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : SIC - XLIM / XLIM
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Céline Loscos
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Méneveaux, Emmanuelle Darles, Pierre Poulin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie-Paule Cani, Christophe Renaud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Processeurs graphiques

Vagues

Simulation par ordinateur

Informatique

Physique

Mots clés libres

Simulation

Contrôle

Rendu

Synthèse d'images

Vagues déferlantes

Océan

Gpu

Gpgpu

Sph

Simulation of breaking waves

Sph

Gpgpu

Breaking waves rendering

Résumé

Depuis plusieurs décennies, la communauté informatique graphique s’intéresse à la simulation physique du mouvement et du rendu des fluides. Ils nécessitent d’approcher numériquement des systèmes complexes d’équations aux dérivées partielles, coûteux en temps de calcul. Ces deux domaines trouvent entre autres des applications dans le domaine vidéoludique, qui requiert des performances pouvant offrir des résultats en temps interactif, et dans la simulation d’écoulements réalistes et complexes pour les effets spéciaux, nécessitant des temps de calcul et d’espace mémoire beaucoup plus considérables. Les modèles de la dynamique des fluides permettent de simuler des écoulements complexes, tout en offrant à l’artiste la possibilité d’interagir avec la simulation. Toutefois, contrôler la dynamique et l’apparence des vagues reste difficile. Cette thèse porte d’une part sur le contrôle du mouvement des vagues océaniques dans un contexte d’animation basée sur les équations de Navier-Stokes, et sur leur visualisation réaliste. Nos deux contributions principales sont : (i) un modèle de forces externes pour contrôler le mouvement des vagues, avec leur hauteur, leur point de déferlement et leur vitesse. Une extension du modèle pour représenter l’interaction entre plusieurs vagues et des vagues tournantes est également proposée. (ii) une méthodologie pour visualiser les vagues, à l’aide d’une méthode de rendu réaliste, en s’appuyant sur des données optiques des constituants océaniques pour contrôler l’apparence du fluide considéré comme milieu participant. La simulation et le contrôle de la dynamique des vagues sont mis en oeuvre dans un simulateur basé sur la méthode SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics). Afin d’obtenir des performances interactives, nous avons développé un moteur de simulation SPH tirant parti des technologies GPGPU. Pour la visualisation physico-réaliste, nous utilisons un moteur de rendu existant permettant de représenter des milieux participants. Utilisés conjointement, les deux contributions permettent de simuler et contrôler la dynamique d’un front de mer ainsi que son apparence, sur la base de ses paramètres physiques.

Physics based animation and photorealistic rendering of fluids are two research field that has been widely addressed by the computer graphics research community. Both have applications in the video-entertainment industry and used in simulations of natural disasters, which require high computing performance in order to provide interactive time results. This thesis first focuses on simulating breaking wave on modern computer architecturesm and then to render them in the case of oceanic environments. The first part of this thesis deals with physics-based animation of breaking waves, and describes a simple model to generate and control such waves. Current methods only enable to simulate the effects but not the causes of water waves. The implementation of our method takes advantage of GPGPU technologies because of its massively parallel nature, in order to achieve interactive performances. Besides, the method was designed to provide the graphist user-control of the physical phenomena, which enables to control in real time all the physical parameters of the generated waves, in order to achieve the desired result. The second part of this thesis deals with the optical properties of water in oceanic environments and describes a model that enables to realistically render an oceanic scene. Its second goal is to provide user-control of the oceanic constituants amount to tune the appearance of the oceanic participating media.